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주형 도
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1 Journal of th Kora Acadmia-Industrial coopration Socity Vol. 18, No. 5 pp , ISSN / ISSN 낙하시험에의한폴리에틸렌보트의구조안전성평가 이성룡 1*, 강경주 2, 조석수 2 1 강원대학교금속재료공학과, 2 강원대학교기계설계공학과 Evaluation of Structural Safty of Polythyln Boats by Drop Tst Mthod Sung-Riong L 1*, Gyung-Ju Kang 2, Sok-Swoo Cho 2 1 Dpt. of Matrials and Mtallurgical Enginring, Kangwon Nat l Univ. 2 Dpt. of Mchanical Dsign Enginring, Kangwon Nat l Univ. 요약강선이나강화플라스틱선등의선박재료는선박안전법에규정된규격재료를사용하는경우로서판두께측정시험이나종굽힘강도시험을통하여제작선체의구조안전성을쉽게확인할수있다. 한편, 염가의폴리에틸렌등과같은비규격재료를선체전장이짧은플레저보트의선체로사용하는경우역학적특성을파악하기쉬워선체설계를수행하기에매우유리하고, 대량생산시스템을갖추는경우제작비용이낮아해당제품의가격경쟁력을가질수있다. 그러나폴리에틸렌선체의경우비규격재료를사용함에따라기존의소형선체에대한종굽힘강도시험을이용하여선체의구조안전성을평가할수없다. 이러한문제점을해결하기위하여본연구에서는플레저보트의낙하시험표준절차인플레저보트검사기준과 ISO 를기초로폴리에틸렌선체에대한낙하시험을수행한후이것을기초로정적구조해석을수행하여비규격재료로개발된선체의구조안전성을확인함으로서플레저보트검사기준과 ISO 의낙하시험방법이선체구조설계에이용될수있음을보였다. Abstract Th structural safty of small craft, such as stl ships and FRP ships, can b stimatd using th masurmnt tst of th hull plat thicknss or th longitudinal bnding strngth tst. A polythyln boat is mad using inxpnsiv HDPE and can b mass producd. Th structural safty of a polythyln boat cannot b guarantd bcaus a polythyln boat hull is notspcifid in th KR tchnical ruls. Th inspction procdur of sailing yachts and plasur boats and drop tst mthod of ISO standard propos th structural strngth rquird for small crafts as th drop tst hight. Thrfor, in this study, th drop tst of a polythyln boat hull was carrid out basd on th inspction procdur of a sailing yacht and plasur boat and th drop tst mthod of ISO standard Th drop load was acquird by th drop acclration ofa boat hull. Structural analysis and safty of a polythyln boat wr prformd by th drop load and allowabl strss critria. Th calculation rsults of th hull plat thicknss by structural dsign spcification of ISO standard showd that polythyln boat hull was mor than two tims thickr than a stl ship hull and th boat hull dtrmind by th inspction procdur of sailing yacht and plasur boat and drop tst mthod of ISO standard was mor than 1.2 tims thickr than th boat hull dtrmind by structural dsign spcification of ISO standard Thrfor, inspction procdur of sailing yachts and plasur boats and drop tst mthod of ISO standard was much mor consrvativ than th structural dsign spcification of ISO standard and could b usd as th structural dsign mthod of a polythyln boat. Kywords : Drop Tst, Inspction procdur of sailing yacht and plasur boat, ISO standard , Polythyln Boat, Structural Strngth. 215년도강원대학교대학회계학술연구조성비로연구하였음. ( 관리번호 ) * Corrsponding Author : Sung-Riong L(Kangwon Nat l Univ.) Tl: mail: sr915@kangwon.ac.kr Rcivd March 8, 217 Accptd May 12, 217 Rvisd (1st April 21, 217, 2nd April 28, 217) Publishd May 31,

한국산학기술학회논문지제 18 권제 5 호, 217 1. 서론 2. 폴리에틸렌보트의개요 선박안전법에따르면플레저보트는레저용으로사용되는기선과범선으로서비사업용은여객선, 유선, 도선등이아닌스포츠또는레크레이션용으로사용되는것이고사업용은선박길이 24m미만의선박으로서유선및도선사업법의적용을받는유선을가리킨다.

2 한국산학기술학회논문지제 18 권제 5 호, 서론 2. 폴리에틸렌보트의개요 선박안전법에따르면플레저보트는레저용으로사용되는기선과범선으로서비사업용은여객선, 유선, 도선등이아닌스포츠또는레크레이션용으로사용되는것이고사업용은선박길이 24m미만의선박으로서유선및도선사업법의적용을받는유선을가리킨다. 또한, 관광이나레저용으로사용되는비사업용플레저보트는선체길이에관계없이해당선체재료별구조기준을만족해야한다. 특히, 강선이나강화플라스틱선등과같이선체재료를선박안전법에규정된재료로사용하는경우판두께측정에따른강도시험을통하여제작선체의구조안전성을쉽게확인할수있다 [1-3]. 한편, 염가재료에대한연구는전혀진행되지않고있으며단지소형조선산업계에서카누나카약선체를폴리에틸렌을이용하여제작하여판매하고있다 [4-5]. 폴리에틸렌은선체전장이짧은플레저보트의경우역학적특성이설계하기에매우유리하며 [6], 선체폐선시오히려높은수익이발생되어져초기구입비용을회수할수있을뿐만아니라해양환경오염방지에크게이바지할수있는장점이있다 [7]. 조등 [8] 은종굽힘강도시험을이용하여강화플라스틱선과폴리에틸렌보트에대한구조안전성을평가하여강화플라스틱선에비하여폴리에틸렌보트가과도한안전율을가지고있다고주장하여선박안전법에규정된재료로제작된선체에대하여적용하는종굽힘강도시험규격의개정이필요함을제시하고있다. 이러한문제점때문에비규격재료선체의구조강도시험으로플레저보트검사기준 [9] 과 ISO [1] 에서제시하고있는선체낙하시험규격이현재의국내법규상가장적합하다. 따라서본연구에서는플레저보트의낙하시험표준절차인플레저보트검사기준과 ISO 를기초로폴리에틸렌선체에대한낙하시험을수행한후이것을기초로낙하해석을수행하여비규격재료로개발된선체의구조안전성을확인함으로서플레저보트검사기준과 ISO 의낙하시험방법이선체구조설계에이용될수있음을보이고자한다. Fig. 1는보트선형설계프로그램인 Rhino 3D 4.을이용하여폴리에틸렌플레저보트설계도를나타낸것이다. 그림에서선체의선체의정면도, 평면도, 측면도, 등각도를각각나타내고있다. 개발폴리에틸렌플레저보트는 Urban 스타일로세련된도시적인이미지를표현한디자인을가지고있으며도시인들의여가를책임지는레저보트로서의이미지를강조하고있다. 면과면의조화가직선의강한느낌이고 Shr Lin은선미쪽으로흘러가면서점차내려가는라인으로좀더샤프한측면의라인을만들어주고있다 [11]. Tabl 1은선형설계된보트의수력학적특징을각각나타낸것으로선체길이가 5.999m이다. 또한, 선체폭과깊이는 2.28m와 1.14m이다. 선박의경우그목적이동일한경우기본적인유체역학적특성이유사한관계로주요제원간에일정한관계를가지고있다. 보트의경우선형이복잡한 3차원곡면으로형성되어져있으며계획흘수는.249m이다. Fig. 1. Thr-dimnsional shap of polythyln boat Tabl 1. Hydrostatic proprtis of polythyln boat Itm Dsign Spd V S (knot) 25 Lngth ovr all LOA(m) Bradth B(m) 2.28 Dpth D(m) 1.14 Lngth of watrlin LWL(m) Forward TF(m).249 Draft Aft TA(m).249 Displacmnt Volum DISV(m 3 ) Block Cofficint C B.54 Prismatic Cofficint C P.818 Watrplan Ara Cofficint C W.96 Midship Sction Ara Cofficint C M

3 낙하시험에의한폴리에틸렌보트의구조안전성평가 주형계수 C P 는중앙단면에의한체적에대한배수체적의비를나타낸것으로본연구에서선형설계된보트의경우.818이다. 이값은바지선박이.95이고구축함이.63으로설계보트가거의바지선박정도로배의길이방향에대하여횡단면의변화가크지않다는것을의미한다 [12]. 3. 국내 외법규분석 Tabl 2는낙하시험을위한국제표준규격 ISO 와해양수산부에서제안하고있는플레저보트검사지침의구조기준을나타낸것이다. 국제표준규격 ISO 의경우선체재료에대한제한이없으나해양수산부에서제안하는플레저보트 (Plasur boat) 검사지침의경우 FRP, 알루미늄, 폴리프로필렌에한정되어져있다. 따라서본연구에서대상으로하는전장길이 6m 미만의폴리에틸렌실적선선체에대한구조강도를확인하기위해서는플레저보트 (Plasur boat) 검사지침보다는 ISO 의표준규격을적용하여야한다. 3.1 국제표준규격 (ISO ) ISO 에서는 6미터미만의단동형선체에대하여낙하시험을수행하기위하여낙하시험시선체는반드시만재상태에있어야하며여객 기관설비등을탑재하지못하는경우이에해당하는중량물을탑재하여시험하여야한다. 낙하시험의높이는 Fig. 2의선도를통하여산정하며, 자유낙하 (Falls fr into th watr) 및파랑중 (Running in wav) 선체에작용하는충격하중과충격하중에의한선체의크랙, 보강재의박리 / 파손 (Dbonding & Failur) 등을확인하여선체의구조강도기준합격여부를판단한다. 즉, 이규격은제작된선체가선체로서의구조안전성을판단하는데사용되는기준으로서적정한선체두께를결정하기위해서는다양한두께의선체에대한낙하시험이필요하다. 따라서본연구에서는대표적두께의개발선체에대한낙하시험을실시한후각축방향의가속도를측정한뒤이값에선체만재하중을곱하여각방향에따른선체낙하하중을구한다. 3.2 플레저보트검사지침플레저보트검사지침은여객선 유선 도선 어선이아닌스포츠또는레크레이션용으로사용하는선체길이 24미터미만총톤수 2톤이상의보트에적용된다. 12미터미만강화플라스틱 (FRP, Fibr Rinforcd Plastic) 재질의소형플레저보트의경우판두께측정에의한강도시험또는낙하시험의적용이가능하며, 강화플라스틱이외의선체재료를사용하는 6미터미만의소형플레저보트는낙하시험에의한강도기준을적용하고있다. 낙하시험후시험결과를포함하여시험일시, 시험장소, 탑재 ( 예정 ) 기관의중량, 최대승선인원등이기재된시험방안서를제출한다. 낙하시험을위한높이계산은 Fig. 2 또는다음식 (1) 에따라계산하며식 (1) 계산시속도는만재상태의계획속력또는최고속력계산시기관출력을와트 (W) 로산정한경우는식 (2) 를마력 (PS) 으로산정한경우식 (3) 을통하여속력을계산한다. Tabl 2. Ruls rlatd to drop tst Rul Lngth (LH) Condition Inspction MLTM (Ministry of Land, Infrastructur and Transport) Domstic Plasur Boat Inspction Guidlin FRP : LH 12(m) AL : LH 6(m) Poly : LH 6(m) Falls fr into th watr Visual inspction (Crak, Dbonding & Failur) ISO ISO : Small craft-hull construction and scantling-part 5 Singl skin 2.5(m) LH 6(m) Spd 5 Knots Falls fr into th watr Running in wav 533

한국산학기술학회논문지제 18 권제 5 호, 217 18 17 16 15 14 13 12 11 1 9 8 ) 2.5 (m 2.4 7 t h 2.3 ig 2.2 6 h 2.1 p 2 5 ro D1.9 1.8 4 3.6 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.9.8.7.6.5.4 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Fig. 2. Dtrmination of drop tst hight 또한, 식 (1) 의결과가 2.

4 한국산학기술학회논문지제 18 권제 5 호, ) 2.5 (m t h 2.3 ig h 2.1 p 2 5 ro D Fig. 2. Dtrmination of drop tst hight 또한, 식 (1) 의결과가 2.5미터를넘는경우 2.5미터로,.7미터미만인경우.7미터로낙하높이를제한한다. (1) 단, : 낙하높이 (m), : 만재상태계획속력 ( 노트 ) 또는최고속력 ( 노트 ), : 선체전장 (m), : 선체속장비또한식 (1) 의선체의만재상태계획속도는다음식 (2) 또는 (3) 으로계산하며식 (1) 에서 < 3.6의경우 을 3.6으로한다. (2) (3) 단, : 엔진출력 ( ), : 엔진출력 ( ), : 선체배수량 (Ton) 4. 낙하시험및구조해석 Fig. 3은폴리에틸렌을인장시험하기위한인장시험편을나타낸것으로 KS M 322[13] 에규정된형상과치수를이용하여제작하였다. 인장시험편은대림산업 에서생산하는두께 12mm인고밀도폴리에틸렌시트 (Dalimpoly TR-418BL) 에서취하였으며가공시발생되는잔류변형을최소화하기위하여워터젯절단기 (HAMMER HEAD 51 : ) 를사용하여가공하였다. Tabl 3은 Fig. 3의인장시험편을이용하여선체재료인고밀도폴리에틸렌의인장시험결과를정리한것으로최대인장강도는 91MPa을나타내고있다. 4.1 낙하시험에의한가속도측정낙하시험은 ISO 및국내규정을만족하는플레저선박낙하시험평가시스템을구축한중소조선연구원의실내실험실에서수행하였다. 플레저선박의낙하시험평가시스템은모션센서 (Motion snsor) 와변형률게이지및가속도센서를이용하여자유낙하시선체의낙하자세와수면접촉시선체에걸리는변형률및슬래밍충격력을측정한다. 본연구에서는제한된장비로인하여낙하시험에따른가속도측정시험만수행하 Tabl 3. Mchanical proprtis of Dalimpoly TR-418BL Dnsity ( kg / m3 ) Mlting point ( ) Low tmpratur brittl point ( ) Elastic modulus ( GPa ) Poisson's ratio Yilding strngth ( MPa ) Ultimat strngth ( MPa ) Braking strngth ( MPa ) Elongation (%) Tabl 4. Light and full loads of polythyln boat Light load Full load Lngth (m) Width (m) Dpth (m) Spd (knot) Load (kg) Hull Engin Battry Etc Light load Maximum load of Ful load (kg) popl on board (kg) (kg)

낙하시험에의한폴리에틸렌보트의구조안전성평가 기로한다. 낙하시험에사용된가속도센서는스트레인게이지타입이며 DATA RATE는 5 KHz/ch이다. 또한낙하시험시급격한자유수면형상변화의관찰, 가속도, 변위, 선체와수면과의접촉각을확인하기위하여 Rdlak 社의 Ara scan typ 카메라로초당 5회이상의영상을촬영하였다. 4.

5 낙하시험에의한폴리에틸렌보트의구조안전성평가 기로한다. 낙하시험에사용된가속도센서는스트레인게이지타입이며 DATA RATE는 5 KHz/ch이다. 또한낙하시험시급격한자유수면형상변화의관찰, 가속도, 변위, 선체와수면과의접촉각을확인하기위하여 Rdlak 社의 Ara scan typ 카메라로초당 5회이상의영상을촬영하였다. 4.2 폴리에틸렌보트선체의낙하시험 ISO 의낙하시험은선체전장과속장비및선체중량에대한규정에따라결정되므로일반적으로한척에대하여낙하시험을수행한다. 이하에조등 [8] 이개발한폴리에틸렌보트선체에대한구조안전성을평가하기위한평가절차를나타내었다. Tabl 4는폴리에틸렌보트선체에대한낙하시험을수행하기위한개발폴리에틸렌보트선체의경하및만재하중을나타낸것으로이값을기초로낙하시험높이와선체적재하중을결정하였다. 폴리에틸렌보트선체의낙하높이는 와선체전장 L을각각 4.8과 5.99m를고려하여 Fig. 2에서구하면 1.83m이고식 (1) 에의하여계산된선체낙하높이도 1.83m이다. 그러나본연구에서는소형선체에서발생되는충격력을보수적으로구하기위하여 Fig. 2와식 (1) 에서제안 하고있는최대낙하높이 2.5m를본연구대상인폴리에틸렌보트의낙하높이로선정하였다. Tabl 4는낙하시험을위한선체의만재중량을나타낸것으로선체두께가 1mm인경우선체무게만의무게는 43kg이다. 경하중량이차이가나는것은선체두께에따른선체자중이다르기때문이다. 개발선체낙하시험은선체두께가 1mm인것을기준으로수행하며개발선체의만재하중은 1,338kg이다. Fig. 4는선체의가속도측정위치를나타낸것으로가속도센서를선체의무게중심에설치하였다. 또한, 낙하시험은고속카메라 (5Hz) 를이용하여낙하시에선체와수면과의충격에대한가시화를위해서보트의선측에서 1m 정도떨어진거리에설치하여촬영하였다. Fig. 5는폴리에틸렌선체에대한실선낙하시험을고속카메라로측정한결과이다. 낙하시험에따른선체입수깊이가선체계획흘수선보다는조금더크다. 선체표면에균열이나박리등과같은구조적이상징후는보이지않아플레저보트로서는충분한구조안전성을가진것으로평가된다 Fig. 5. Photographs of Lasur boat's drop tst in RIMS's squar tank 8 3 Fig. 3. Dimnsion of tnsion spcimn ) (G n r a tio c l A Tim(sc) Fig. 4. Installmnt location of acclration snsor (a) X-dirction 535

6 한국산학기술학회논문지제 18 권제 5 호, ) (G n -3 tio r a c l -6 A ) (G 3 n tio r a c l A Tim(sc) 6-3 (b) Y-dirction Tim(sc) (c) Z-dirction Fig. 6. Acclration rspons at Location 1 (Unit: G) Fig. 6은선체낙하시험에서측정된충격가속도를나타낸것이다. 충격가속도는낙하시발생되는다양한진동및감쇄특성으로인하여 + 와 - 값을동시에나타내고있다. 이상의결과를기초로최대와최소가속도를나타낸것이 Tabl 5이다. 물리적으로낙하순간으로평가되는것은최소가속도를보일때이며 Y축방향이가장크게나타나고있으며그다음이선측방향이고가장적은가속도를보이는것은선수방향임을알수있다. KBC 217[14] 과 EN 1317(CEN, 1998)[15] 및 AASHTO Guid(29)[16] 등의구조설계규격에서는건축과차량및선박에서발생되는충격하중에대한구조해석방법으로등가정하중해석에의한정적구조해석방법과동하중에의한동적구조해석으로제안하고있다. 이중구조물에실질적으로작용하는동하중을이용한동적구조해석을수행하는것이제품의구조신뢰성을가장확실하게확보할수있으나현실적으로수행하는데상당한시간과경비가많이소요된다. 따라서해당구조체설계현장에서는이러한문제점을해결하기위하여충격하중에대한구조해석을등가정하중을이용한정적구조 해석하는것을주로이용하고있다. 즉, 각구조물에서발생되는응답가속도스펙트럼을측정하고이중에서가장큰최대가속도를각구조물의정적질량에곱하여해당구조물에작용하는층격하중인등가정하중을구한다. 이러한등가정하중을정적구조해석에적용하여적절한구속조건을경험적으로부여하여구한최대응력이설계응력아래에있는지에대한검토를통하여해당구조물의안전성을평가한다. 본연구에서도개발보트선체의구조신뢰성을보수적으로확보하기위하여상술의구조설계규격에서사용하는방법과동일하게사용하기로한다. 즉, 선체에작용하는충돌하중과운동량을계산하는방법으로다음식 (4) 와식 (5) 에각각그방법을나타내고있다. 따라서선체충돌하중은뉴톤의운동제2법칙인가속도법칙을이용하여선체만재질량과각방향에따른가속도를곱하면되며선체에부하되는충격운동량은선체만재질량과선체에부하되는속도변화량으로계산되고본연구의경우낙하시험이기때문에속도변화량을낙하높이 h로나타낼수있다. 따라서낙하하중에의한충격하중 는각각선체만재질량과 Tabl 5의각방향에따른최대가속도를곱하여구하였으며낙하하중에의한충격량 는선체만재질량과낙하높이 h로구하였다. 그결과를 Tabl 6과 Fig. 7에선체두께에따른충격하중과운동량을각각정리하여나타내었다. 특히, 이러한방법은선체에입력되는운동량이적어소성변형이발생되지않는탄성충돌해석에매우유효하며선체두께에따른운동량을 Fig. 7에표시하였다. L등 [17] 이수행한선체탄소성충돌해석에서구한운동량 kg m/s인것을고려하면매우낮은운동량을보여본선체의구조해석으로상술의구조설계규격에서제시하는등가정하중을이용한정적구조해석을이용하는것에큰무리가없는것으로생각된다. (4) (5) 단, : x, y, z 방향의충격하중 (N), : x, y, z 방향의속도 (m/s), : 낙하시간 (Sc.), : x, y, z 방향의가속도 (m/s 2 ), : 운동량 (kg m/s), : 선체경하질량 (kg) 536

낙하시험에의한폴리에틸렌보트의구조안전성평가 4.3 폴리에틸렌보트선체의낙하구조해석 Fig. 8은낙하시험해석을위한유한요소모델의경계및하중조건을나타낸것이다. 경계조건은계획흘수선을기준으로상부에부여되며선체상부는 X축과 Y 및 Z축방향으로병진과회전운동이제한된다.

7 낙하시험에의한폴리에틸렌보트의구조안전성평가 4.3 폴리에틸렌보트선체의낙하구조해석 Fig. 8은낙하시험해석을위한유한요소모델의경계및하중조건을나타낸것이다. 경계조건은계획흘수선을기준으로상부에부여되며선체상부는 X축과 Y 및 Z축방향으로병진과회전운동이제한된다. 또한하중조건은계획흘수선하부에부여되며선체하부는종방향과횡방향으로양측면에서선체를압축하는방향으로그힘을가하며선체수직상방향으로가장큰힘을부여하였다. 유한요소모델은절점이 253,97개이고요소가 122,95이고유한요소해석은정적구조해석을수행하였다. Fig. 9, Fig. 1, Fig. 11은낙하시험시발생되는응력과총변형률을각각나타낸것이다. 선체두께에관계없이선체하부중앙부근에서큰총변형률과응력이동시에발생되고있다. 따라서플레저보트의경우낙하시험을통과하려면구조적안전성이가장요구되는선체하부중앙부에상당한단면계수가필요함을알수있다. 이상의결과를선체두께에따른최대응력및총변형률을수치적으로정리한것이 Fig. 12이다. Tabl 5. Masurmnt rsults of impact acclrations Fig. 7. Momntum of polythyln boat hull in drop tst Fig. 8. Load and boundary conditions of Finit lmnt modl for drop tst analysis Masuring positions Location 1 Masuring dirctions Max. impact acclrations (G) Min. impact acclrations (G) X Y Z Tabl 6. Load condition of drop tst analysis Hull thicknss (mm) Fx 1 (N) Fx 2 (N) F Y1 (N) F Y2 (N) Fz (N) (a) 4mm (b) 14mm Fig. 9. Von-Miss strss distribution in polythyln boat subjctd to drop impact forc 537

한국산학기술학회논문지제 18 권제 5 호, 217 (a) 4mm (b) 14mm Fig. 1. Total dformation distribution in polythyln boat subjctd to drop impact forc (a) Von-Miss strss Fig. 12 (a) 에서선체두께가 7.

8 한국산학기술학회논문지제 18 권제 5 호, 217 (a) 4mm (b) 14mm Fig. 1. Total dformation distribution in polythyln boat subjctd to drop impact forc (a) Von-Miss strss Fig. 12 (a) 에서선체두께가 7.4mm이하에서는선체낙하시험시발생되는응력이선체의인장응력을초과하게된다. 즉, 선체두께가 7.4mm이하의폴리에틸렌선체의경우낙하시험시소성변형및파손이진행될수있어구조적안전성관점에서폴리에틸렌선체는그두께를 7.4mm이상은확보해야선체로서의최소한의구조성능을입증할수있다. 한편, ISO 의구조설계치수규격 [18] 에의하면선체길이가 2.5m이상 24m이하의레저보트및요트를설계하는경우선체외판두께는크게선체사용재료에의하여결정되며그재료로는 FRP와강및알루미늄으로나눌수있다. 다음식 (6) 은단일선체외판의최소두께 t를구하는식이다. 여기서선체설계응력 는 FRP를기준으로최소최종휨강도의 5% 로설정하고연강과알루미늄을기준으로최소최종인장강도의 6% 로설정하였다. 따라서각재료의인장강도로 ISO 의첨부자료 C와 F[19] 에서추천하고있는선체재료들의인장강도평균값을이용하면 FRP와연강및알루미늄의인장강도는각각 26 MPa, 453MPa, 268MPa이다. 즉, FRP 선체의설계응력은 13MPa, 강선선체의설계응력은 272MPa, 알루미늄선체의설계응력은 161MPa로설정하였다. 또한, 곽등 [2] 에의하면 6m미만의폴리에틸렌선체에대한선체압력 P는선저압력과선측압력및갑판압력으로분류할수있으며그중에서가장큰압력은선저압력으로 14kPa로제안하고있으며본연구에서는식 (6) 의선체압력 P로이값을사용한다. (6) (b) Total dformation Fig. 11. Von-Miss strss and total dformation distribution in polythyln boat subjctd to drop impact forc (Hull thicknss 1mm) 단, : Minimum rquird thicknss of plating ( 선체의판두께 (mm)) : Short dimnsion of th panl ( 패널의짧은쪽길이 (5mm)) : Dsign prssur for th panl ( 패널의설계압력 ( )) : Curvatur corrction factor for curvd plats( 곡선패널의곡률수정계수 =1) : Panl aspct ratio factor for bnding strngth ( 굽힘강도에대한패널종횡비계수 =.4) 538

9 낙하시험에의한폴리에틸렌보트의구조안전성평가 : Dsign strss for hull plating ( 선체외판에대한설계응력 ( )) 따라서 FRP와알루미늄, 강의선체외판두께는각각 3.68mm, 2.94mm, 2.27mm이다. 본연구에서사용하는선체재료인고밀도폴리에틸렌의경우 ISO 의구조설계치수규격의공식적인선체재료는아니므로 ISO 의구조설계치수규격을적용할수없다. 따라서본연구에서는조 [17] 에의하여수행된 6m미만의폴리에틸렌보트에대한구조해석결과와 ISO 의구조설계치수규격 [14] 에서제안하고있는선체설계응력개념을결합하여비규격선체재료인고밀도폴리에틸렌으로제작된선체의두께를결정하고자한다. 즉, 고밀도폴리에틸렌선체의설계응력은고밀도폴리에틸렌재료의최소최종인장강도의 6% 인 16.2MPa이다. Fig. 13은조 [21] 에의하여수행된 6m미만의폴리에틸렌보트에대한구조해석결과를나타낸것으로선체하중을소형선체의구조설계규격인 ISO 의설계압력을사용하였다. 그림에서고밀도폴리에틸렌선체의설계응력 16.2MPa을적용하면선체두께는 5.6mm 임을알수있다. Fig. 14는이상의결과를기초로각선체재료에대한선체설계두께를나타낸것이다. 선체재료두께중고밀도폴리에틸렌선체두께가가장두껍고강선선체두께가가장얇으며그차이는전자의선체두께가후자의선체두께에비하여 3배이상이된다. 한편, ISO 의낙하시험규격을이용하여결정한폴리에틸렌선체두께는 ISO 의구조설계압력규격을이용하여결정한폴리에틸렌선체두께치수에비하여 1.3배정도더두껍다. 이러한결과는 ISO 의낙하시험규격에의한선체하중이 ISO 의구조설계압력규격에의한선체하중에비하여더크다는것을의미하며 ISO 의낙하시험규격이 ISO 의구조설계압력규격에비하여더보수적이라는것을나타내고있다. ) a P ò(m s s tr s is - M n o V Hull thicknss (mm) (a) Von-Miss strss (b) Total dformation Fig. 12. Maximum Von-Miss strss and total dformation according to hull thicknss Fig. 13. Rlationship btwn hull thicknss and Von-Miss strss 539

10 한국산학기술학회논문지제 18 권제 5 호, ) m 7 t(m s 6 5 k n ic 4 l th u 3 H FRP Aluminum Stl HDPE(Drop tst)hdpe(structural dsign prssur) Hull matrial Fig. 14. Hull matrial and hull thicknss a b c d L B Fig. 15. Masurmnt of plastic dformation of polythyln boat hull subjctd to drop tst load D 다. 폴리에틸렌보트선체에과도한충격하중이입력되었음에도선체에서발생되는최대소성변형량은선체깊이가 3mm, 선체전장이 2mm, 선체폭이 1mm이다. 즉, 선체깊이의최대소성변형률은.2%, 선체전장의최대소성변형률은.3%, 선체폭의최대소성변형률은.5% 로선체깊이가가장큰소성변형량을보이고있으나재료의항복응력기준이소성변형율.2% 가발생되는응력으로정의하는것을이용하면 [22] 선체깊이도거의탄성상태에있는것으로파악되어져전체선체가낙하시험후에도낙하전의상태로탄성회복되었음을알수있다. Tabl 7. Plastic dformation of polythyln boat hull subjctd to drop tst load Lngth Itm Bfor drop tst Aftr drop tst Plastic dformation Ovrall lngth L (m) Bradth B (m) Dpth D (m) 따라서비선체재료로제작된플레저보트의경우 ISO 의구조설계압력규격으로제작하게되면 ISO 의낙하시험규격을통과못하게된다. 이러한문제점을극복하기위해서는 ISO 의구조설계압력규격으로제작하더라도반드시 ISO 의낙하시험규격도동시에검토해야한다. 즉, 비선체재료로제작되는플레저보트의경우구조설계단계부터 ISO 의낙하시험규격을이용하여설계해야된다는것을알수있다. Fig. 15는폴리에틸렌보트의낙하시험에서발생되는선체의소성변형량을계측하기측정위치를나타낸것이다. 즉, 보트전장에서발생되는최대소성변형량을측정하기위하여선체의선미와선수부상부에 2개소, 폭부분의최대소성변형량을측정하기위하여양현의횡방향 2개소, 깊이의최대소성변형량을측정하기위하여블워크 (Bulwark) 상부 1개소와선저최저부분 1개소를이용하였다. 즉, Fig.15에서보트전장 L은 a위치와 b 위치사이의거리, 보트폭 B는 c위치와 d위치사이의거리, 보트깊이 D는 d위치와 위치사이의거리를측정하여구하였다. Tabl 7은개발된폴리에틸렌보트의낙하시험에서구한선체치수의소성변형량을구한것이 5. 결론본연구는폴리에틸렌보트선체에대하여낙하시험에의한폴리에틸렌보트의구조안전성평가를수행한것으로다음과같은결론을얻었다. 1) 전장 6m급폴리에틸렌보트에대한높이 2.5m 에서의낙하시험후에특별한파손흔적이없으므로보트가낙하할시에구조안전성이확보되었다. 2) 폴리에틸렌보트선체두께를 1mm로설정하는경우실선낙하시험과구조설계규격을모두통과하고있어선체두께 1mm인폴리에틸렌보트의구조안전성은매우높다. 3) ISO 의낙하시험규격에의해결정된폴리에틸렌선체설계두께는 ISO 의구조설계압력규격에의하여결정된폴리에틸렌선체설계두께에비하여 1.3배정도더크게결정되므로 ISO 의낙하시험규격이 ISO 의구조설계규격과구조설계압력규격에비하여더보수 54

11 낙하시험에의한폴리에틸렌보트의구조안전성평가 적이다. 4) 비선체재료로제작되는플레저보트의경우구조설계단계부터 ISO 의낙하시험규격을이용하여설계해야한다. 5) 선체두께 1mm의폴리에틸렌보트에대한 ISO 의낙하시험결과선체전장과폭및깊이방향의소성변형율이.2% 가되어져낙하시험후에도낙하전의상태로탄성회복되었다. Rfrncs [1] Nian-Zhong Chna and C. Guds Soars, Longitudinal strngth analysis of ship hulls of composit matrials undr sagging momnts, Composit Structurs, vol. 77, pp , 2.7. DOI: [2] B. K. Hong, "A Study on th standard of ship hull construction for aluminium alloys fishing boats", Th Koran Socity for Fishris and Marin Scincs Education, vol. 12, no. 1, pp , 2. [3] N. Z. Chn, C. G. Soars, Rliability assssmnt for ultimat longitudinal strngth of ship hulls in composit matrials, Probabilistic Enginring Mchanics, vol. 22, no. 4, pp , 27. DOI: [4] B. Y. Kang, Build Woodn cano by Myslf, Mannam Prss, pp , 27. [5] C. K. Park, M. G. Kim, S. S. Cho, "A study on manufacturing and structural dsign of lisur cano", Procdings of th KSME(Th Koran Socity of Mchanical Enginrs) 21 Spring annual mting, pp , 21. [6] A. D. Drozdov, J. C. Christiansn, "Modlling th viscoplastic rspons of polythyln in uniaxial loading-unloading tsts", Mchanics rsarch communications, vol. 3, pp , 23. DOI: [7] X. Q. Wang, N. Brown, "Th strss and strain filds in th nighbourhood of a notch in polythyln", Polymr, vol. 3, pp , DOI: [8] S. S. Cho "Structural dsign of polythyln boat by longitudinal bnding strngth tst mthod," Th Koran Socity of Mchanical Enginrs, 215 spring and fall annual mting, pp , 215. [9] Ministry of Ocans and Fishris (Koran), Marin lisur ships guidlin, Ministry of Ocans and Fishris, pp , 213 (Koran). [1] ISO , Small craft-hull construction and scantlings-part 5 : Dsign prssurs for monohulls, dsign strsss, scantlings dtrmination, pp , ISO, 28. [11] S. S. Cho, A Study on Hull Form Dvlopmnt of Polythyln Boat, Journal of th Kora Acadmia-Industrial coopration Socity. vol. 14, no. 1 pp , 213. DOI: [12] W. M. Kwak, A study on th Hull Product Dsign of Polythyln Boat, pp , Mastr thsis, Graduat School of Industry & Scinc, Kangwon National Univrsity, 213. [13] KS, Tsting mthod for tnsil crp of plastics, pp. 1-13, KS, 212. [14] KBC 217, South Koran standard for stl building structurs, MOLIT(Ministry of land, infrastructur and transport in South Kora), pp. 41-6, 217. [15] EN 1317, Road rstraint systms, CEN (th Europan Committ for Standardization), pp , 21. [16] Y. G. Ba, S. L. L, "Ship Collision Risk Assssmnt and Snsitivity Analysis for Sa-crossing Bridgs", Journal of th Koran Socity of Civil Enginrs, vol. 33, no. 5, pp , 213. DOI: [17] H. J. L, S. H. Yun, T. H. Park, Ship Collision Damag Analysis of Bridg Structur, Procdings of th KCI 21 spring mting, pp , KCI (Kora concrt institut), 21. [18] ISO , Small craft-hull construction and scantlings-part 5 : Dsign prssurs for monohulls, dsign strsss, scantlings dtrmination, pp , ISO, 28. [19] ISO , Small craft-hull construction and scantlings-part 5 : Dsign prssurs for monohulls, dsign strsss, scantlings dtrmination, pp , ISO, 28. [2] W. M. Kwak, A study on hull product dsign of polythyln boat, pp , Mastr thsis, Graduat School of Industry & Scinc, Kangwon National Univrsity, 213. [21] S. S. Cho, Study of Structural Dsign of Polythyln Plasur Boat, KSME(A), vol. 36, no. 12, pp , 212. DOI: [22] N. E. Dowling, Mchanical bhavior of matrials, pp , Prntic-Hall Inc., 이성룡 (Sung-Riong L) [ 정회원 ] < 관심분야 > 화학금속학, 철강공학, 금속열역학 1983 년 2 월 : 동아대학교대학원금속공학과 ( 공학석사 ) 199 년 8 월 : 동아대학교대학원금속공학과 ( 공학박사 ) 1994 년 11 월 ~ 1996 년 9 월 : 세강열처리, 대표이사 1997 년 8 월 ~ 현재 : 강원대재료금속공학과교수 541

한국산학기술학회논문지제 18 권제 5 호, 217 조석수 (Sok-Swoo Cho) [ 정회원 ] 1993 년 2 월 : 동아대학교대학원기계공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 : 동아대학교대학원기계공학과 ( 공학박사 ) 1997 년 3 월 ~ 1997 년 8 월 : 창원문성대학교기계과전임강사 1997 년 8 월 ~ 현재 :

12 한국산학기술학회논문지제 18 권제 5 호, 217 조석수 (Sok-Swoo Cho) [ 정회원 ] 1993 년 2 월 : 동아대학교대학원기계공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 : 동아대학교대학원기계공학과 ( 공학박사 ) 1997 년 3 월 ~ 1997 년 8 월 : 창원문성대학교기계과전임강사 1997 년 8 월 ~ 현재 : 강원대기계설계공학과교수 < 관심분야 > 재료강도학, 구조최적설계 강경주 (Gyung-Ju Kang) [ 정회원 ] 1997 년 2 월 : 부산대학교대학원항공우주공학과 ( 공학사 ) 1999 년 2 월 : 부산대학교대학원항공우주공학과 ( 공학석사 ) 25 년 8 월 : 부산대학교대학원항공우주공학과 ( 공학박사 ) < 관심분야 > 소성가공, 구조설계 542

<33395FC1B6BCAEBCF62DC1BEB1C1C8FBB0ADB5B5BDC3C7E8B9E6B9FDC0BB20C0CCBFEBC7D12E687770>

<33395FC1B6BCAEBCF62DC1BEB1C1C8FBB0ADB5B5BDC3C7E8B9E6B9FDC0BB20C0CCBFEBC7D12E687770> Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 12 pp. 8447-8454, 2015 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.12.8447 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 종굽힘강도시험방법을이용한폴리에틸렌보트선체의구조설계